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        基于GNSS的單波束測深系統(tǒng)在大中型水庫水下地形測量中的應(yīng)用

        2022-02-18 08:29:12商建偉
        山東國土資源 2022年1期
        關(guān)鍵詞:東平湖測量船聲速

        商建偉

        (山東省國土測繪院,山東 濟南 250013)

        0 引言

        長期以來,受制于傳統(tǒng)觀念及測深技術(shù)的制約,水下地形測量較之陸域測量,存在較大的差距。陸域測量已形成完整規(guī)范的更新體系和更新周期,測量手段成熟多樣,數(shù)據(jù)成果較為完善,而水下測量仍處于填補空白階段。隨著水庫在調(diào)蓄洪水、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等方面發(fā)揮的作用日益明顯,為更好地開發(fā)利用豐富的內(nèi)陸水庫水下地理信息資源,對水庫水下地形進(jìn)行測量,顯得非常必要。目前常用的水下測量技術(shù)有單波束測量和多波束測量,都屬于回聲探測技術(shù)。單波束測量最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代,通過向水下發(fā)射聲波,獲取一系列連續(xù)的水下點,這種技術(shù)極大地提高了作業(yè)效率,早期受定位技術(shù)的制約,發(fā)展較為緩慢。在20世紀(jì)70年代,人們發(fā)明了多波束測量技術(shù),該方法可以一次性獲取垂直于航線的水深條帶,相比單波束測量,其特點是效率更高,精度更高,可以繪制更加精細(xì)的水下地貌[1]。單波束測量系統(tǒng)目前國內(nèi)外技術(shù)均較為成熟,國內(nèi)的海鷹測深系統(tǒng)、中海達(dá)測深系統(tǒng)、南方測深系統(tǒng)均已在諸多測深項目中成功使用,多波束測深系統(tǒng)由于技術(shù)更為復(fù)雜,在我國開展相關(guān)研究起步較晚,仍處于追趕國外的階段。隨著GNSS的快速發(fā)展,其差分定位精度已達(dá)到厘米級[2-3],且具有了全天候、實時獲取的特點,GNSS發(fā)展促進(jìn)了回聲測量技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前單波束測量與多波束測量已與GNSS高度融合,且隨著人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展,無人測量船也已在水下測量領(lǐng)域大量應(yīng)用,為不同水域測深提供了更為多樣的選擇[4]。

        1 研究區(qū)概況

        東平湖水庫位于山東省東平縣,總面積約627km2,常年水面約124.3km2,平均水深約2.5m,蓄水總量約40億m3,具有重要的防洪、排灌、養(yǎng)殖、旅游開發(fā)價值,是黃河中下游最大的湖泊、京杭大運河復(fù)航和國家南水北調(diào)東線的重要樞紐,也是山東省西水東送的重要水源地。東平湖水庫多年平均水溫約14.0℃,水溫平均最高值在7月,約27.2℃,最低值在1月,約1.3℃。大汶河是其主要的注入河流,經(jīng)調(diào)蓄后經(jīng)東平湖水庫流入黃河。在大汶河入東平湖水庫庫口及庫區(qū)東側(cè)、北側(cè)有水草區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)和施工區(qū),測量船不能駛?cè)?,水庫?nèi)大汶河河道較窄,存在蘆葦區(qū)和漁網(wǎng),測量船不能駛?cè)耄渌麉^(qū)域均適合布設(shè)測線進(jìn)行測量。本文結(jié)合山東省大型水庫1∶2000水下地形測量項目,選取東平湖水庫,從單波束測深技術(shù)方法、實際案例等方面開展分析研究。

        2 研究方法

        2.1 技術(shù)方法研究

        水下地形測量指利用測繪手段,獲取水下點定位、水深及高程信息,進(jìn)一步繪制地形圖或數(shù)字高程模型的工作。傳統(tǒng)水庫測深方法有采用測深桿或測深錘測深[5],這種方法適用于較淺的小區(qū)域測深,作業(yè)效率低下。測深儀搭載GNSS進(jìn)行測量的方法是通過GNSS接收機實時獲取定位及高程信息[6],測深儀換能器向水底發(fā)出頻率為1500Hz的超聲波,通過傳播速度及往返時間計算水深[7]。SDCORS已實現(xiàn)全省覆蓋,網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度優(yōu)于5cm,滿足項目定位要求。山東省在2016年完成全省似大地水準(zhǔn)面精化工作,似大地水準(zhǔn)面模型覆蓋全省陸域,并外擴20km,模型分辨率2.5′×2.5′,全省總體精度優(yōu)于±4cm,滿足本項目高程起算需求。測深儀搭載GNSS的測量方法實現(xiàn)了自動定位與測深一體化,作業(yè)效率大幅提升,在大中型水庫水下測量中具有較大優(yōu)勢,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用。采用這種方法,水底高程可以通過公式(1)獲取,水深可以通過公式(2)獲取。其中H為水底高程,HS為水深,HG為GNSS接收機高程值,H1為GNSS接收機至水面的距離,H2為測深儀換能器至水面的距離,H3為測深儀換能器至水底的距離(圖1)[8-10]。

        圖1 基于GNSS的單波束測深原理圖

        H=HG-H1-H2-H3

        (1)

        HS=H2+H3

        (2)

        基于GNSS的單波束測深系統(tǒng)在作業(yè)時還受以下因素的影響:

        (1)基于SDCORS的定位模式的影響?;贕NSS的單波束水下地形測量需依靠GNSS提供精確的平面和垂直坐標(biāo),因此在導(dǎo)航定位時,應(yīng)確保GNSS-RTK獲取數(shù)據(jù)的狀態(tài)是“固定解”。

        (2)GNSS數(shù)據(jù)時延造成的影響[11]。由于GNSS信號被接收機接收存在一定的時延,造成瞬時獲取的三維坐標(biāo)信息滯后于測深數(shù)據(jù),應(yīng)對延時進(jìn)行精確測定并進(jìn)行改正,實現(xiàn)定位與測深同步。

        (3)受船體姿態(tài)的影響。受風(fēng)浪等因素影響,船載測深儀并非垂直發(fā)射聲波,實際測得的水深是換能器到水底的傾斜距離。若要獲得更為精確的位置,還需采集船體動態(tài)的姿態(tài)參數(shù),并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補償修正,消除船體姿態(tài)對測深結(jié)果的影響。

        2.2 作業(yè)流程研究

        依據(jù)收集的岸線資料及概略水下地形資料布設(shè)測線,利用聲速剖面儀、水文資料等確定聲速,按規(guī)范安裝經(jīng)檢校合格的定位及測深儀器,利用SDCORS獲取精確的三維坐標(biāo),結(jié)合最新似大地水準(zhǔn)面精化模型獲取正常高,采用單波束測深儀進(jìn)行測深,經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗后,形成水下地形測量成果(圖2)。

        圖2 水下地形測量流程圖

        2.3 定位及測深儀器性能研究

        定位及測深儀器的穩(wěn)定性及獲取數(shù)據(jù)的精確性對測量結(jié)果有著重要影響,應(yīng)對GNSS接收機進(jìn)行平面及高程精度檢核,對測深儀穩(wěn)定性及一致性進(jìn)行精度檢核。結(jié)合研究區(qū)特點及技術(shù)要求,投入的設(shè)備見表1。

        表1 項目投入的主要硬件清單

        在本項目中,主要采用以下方法對設(shè)備進(jìn)行檢核:基于SDCORS[12],對GNSS RTK進(jìn)行準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性測試,在測區(qū)周邊已知控制點上,連續(xù)采集4小時以上,采集數(shù)據(jù)真值的差值平面中誤差小于3cm,高程中誤差小于5cm,設(shè)備定位精度可靠,滿足規(guī)范要求。在一水底平整、水深相等的位置,利用多臺測深儀測深,統(tǒng)計測量差值,檢查測深儀停泊一致性。利用測深儀,固定時間間隔連續(xù)采集水深數(shù)據(jù),統(tǒng)計水深值的離散情況,檢查測深儀穩(wěn)定性。測深儀一致性測試差值1.4cm,穩(wěn)定性測試采集了80個深度數(shù)據(jù),中誤差1.5cm,滿足規(guī)范要求。為減少測深過程中船速對吃水影響,將測深儀換能器安裝在船舶中舷處;為減少定位與測深偏心的影響,將GNSS接收機定位中心與測深儀換能器安置在同一鉛垂線上,通過鋼管與船連為一體。

        2.4 測線布設(shè)

        單波束測深主要通過主測線與檢查線相結(jié)合的方式開展,精度評定主要通過主測線與檢查線相交處的高程值符合性來判定,因此測線布設(shè)極其重要。主測線布設(shè)基本垂直于等深線的總體方向,盡量布設(shè)為平行測線,主測深線間隔為圖上1cm。檢查線的方向應(yīng)盡量與主測線垂直,分布均勻,能普遍檢查主測深線。單波束檢查線總長度不小于主測線總長度的5%[13]。結(jié)合東平湖水庫岸線和水下地形特點,布設(shè)測線總長度約為8737.28km,其中主測線長度約為7945.34km,檢查線長度約為791.94km。測線布設(shè)的示意圖見圖3。

        圖3 主測/檢查線布設(shè)示意圖

        2.5 聲速改正

        水溫、鹽度、深度都對聲速產(chǎn)生影響,聲速直接影響水深的精度,聲速改正非常必要。測深開始前,利用聲速剖面儀器測定聲速,采樣分層間距設(shè)置為1m,取平均聲速作為初始聲速,用于聲速改正。本研究測得東平湖水庫平均聲速1498m/s。

        2.6 水深測量

        測量船工作時吃水對水深數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差,作業(yè)前應(yīng)對測量船進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)吃水改正。利用鋼尺直接量取換能器探頭至水面的距離,獲取靜態(tài)吃水值;在水底平坦、堅硬區(qū)域,利用測深儀分別以靜態(tài)和動態(tài)的方式測定水深,求取兩者的差值,獲取測量船在換能器位置的下沉值,該值加上靜態(tài)吃水,得到測量船在某一航速下的動態(tài)吃水值。測試發(fā)現(xiàn),測量船在3節(jié)、6節(jié)航速時,吃水改正值平均為1cm和3cm。在本研究中,按照規(guī)劃的測線,基于SDCORS,采用GNSS RTK方式進(jìn)行測深導(dǎo)航。測深時,測深采樣頻率設(shè)置為1Hz,船速保持在6節(jié)以下,按等距方式實時采集定位及深度數(shù)據(jù)。

        2.7 數(shù)據(jù)處理

        對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理主要指經(jīng)編輯、粗差剔出、水深數(shù)據(jù)選取后,形成正式測深成果。對平面定位偏差較大的,結(jié)合航線及測量時刻,對其進(jìn)行剔除或修正;結(jié)合測深儀電子模擬圖像,逐測線對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行校對,對水深粗差點進(jìn)行剔除或修正,對波浪部分作平滑處理,選取水深數(shù)據(jù)時,一般設(shè)置20m間隔提取,同時兼顧復(fù)雜地貌水深特征點的選取,將GNSS接收機獲取的高程數(shù)據(jù)及測深儀獲取的深度數(shù)據(jù)繼續(xù)融合,得到水下高程數(shù)據(jù)[14],利用似大地水準(zhǔn)面模型求取高程異常,將測深高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高。本研究采用HYPACK和Haida軟件進(jìn)行水深數(shù)據(jù)編輯選取。

        2.8 研究成果

        利用水下高程點數(shù)據(jù),生成數(shù)字高程模型。本研究為1∶2000比例尺,格網(wǎng)間距為2m,數(shù)字高程模型成果見圖4。

        圖4 數(shù)字高程模型成果

        2.9 質(zhì)量檢查

        水下地形測量質(zhì)量檢查主要包括對主測線、檢測線的布設(shè)情況進(jìn)行檢查以及對水下高程點高程值精度進(jìn)行檢查。東平湖水庫水下地形測量項目實測主測線7729.9km,實測檢查線465.1km,檢查線總長占主測線總長的6.0%,滿足規(guī)范要求。在平坦地區(qū)取實地0.5m以內(nèi)的2個水下高程點做比較,在深度變化劇烈或沒有重合點的地方,參考其變化規(guī)律,從原始數(shù)據(jù)中提取加密點,加以分析。東平湖水庫水深在20m以下,重合點不符值中誤差10m以內(nèi)為0.15m,10~20m為0.2m,大于2倍中誤差的差值不參與計算。對主測線與檢查線76582個重合水下高程點進(jìn)行計算[15],10m以內(nèi)中誤差為0.14m,10~20m中誤差為0.17m[16-17]。差值統(tǒng)計見表2。

        表2 主測線與檢查線重合水下高程點差值統(tǒng)計表

        3 結(jié)論

        本文結(jié)合東平湖水庫水下地形測量項目,研究了基于GNSS的單波束測深系統(tǒng)在大中型水庫水下地形測量中的應(yīng)用。東平湖水庫水文情況復(fù)雜,存在部分淺水區(qū)、水草地、養(yǎng)殖區(qū)及灘涂區(qū),測量船不易進(jìn)入。淺水區(qū)盡量趁高水位采用吃水較小的測量船施測,難以抵達(dá)的區(qū)域,適當(dāng)調(diào)整測深線間距,增大測點間距離;測量船確實不易進(jìn)入的區(qū)域,采用人工涉水,測深桿配合定位設(shè)備的方式施測;對于測量人員無法登陸的復(fù)雜灘涂區(qū)域,采用航空攝影測量方法施測[18-19]。研究表明,該系統(tǒng)對載體要求不高,適用性強,自動化程度高,能大幅提高作業(yè)效率。系統(tǒng)集定位與測深于一體,能快速獲取水下高程信息,成果精度高,是一種有效的大中型水庫水下地形測量解決方案。

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